虚拟战场环境三维可视化关键技术与实现
|
摘要
虚拟战场环境因其军事领域应用的专业性成为一种特殊的虚拟地理环境,其三维可视化一直是虚拟地理环境研究的一个热点,同时也是GIS三维可视化一个重要方面。本文以虚拟战场环境的特征和目前三维可视化的实现技术为研究对象,以虚拟战场环境模拟对抗系统为实例详细论述了如何设计和实现虚拟战场环境的三维可视化系统。该系统反映了在一个指定的丘陵地貌为主的地区内进行红蓝两军(连/排)攻守战斗的场面的描述。
文中重点论述了系统三维可视化部分的实现方法和过程。因为系统模拟作战的范围有限,参战的武器数量有限,所以战斗进程中武器、人员的状态都可以较清楚的反映。为了更加贴切地模拟战场环境,系统中不仅对于地面加了雾化的处理,而且使用粒子系统实现了烟雾和降雨的效果。特别是为了使战斗场面更加逼真,系统中除了有显示发射效果,爆炸效果外,还加入了声音仿真的内容。对于系统中可视化部分每一项的实现的过程,文中都体现出具体的设计和实现思路,一般是以算法伪码或流程图的形式予以说明。虽然这部分涉及到的工作很多,但最为重要的是如何能够更加真实地描述虚拟战场的态势表现。所以本系统的红军模型根据拍摄的武器实物和真人战士照片建模,同时,本系统的地形也是取自真实的部队战术指挥中的典型地区。
论文还有另两个主要部分的研究:一是对虚拟战场环境三维可视化实现中的关键技术选取和应用进行了研究,这些技术主要包括地形、模型、特效、声音、控制五个方面;二是从软件工程的角度论述了分队级对抗三维可视化系统的系统设计,其中的重点是三维可视化部分详细设计的内容。
As a kind of special geographical environment, the 3D visualization of virtual battle environment(VBE) is always a difficult and essential problem in the field of the virtual geographical environment. At the base on the deep research about the virtual battle environment and the integration about the realization technology of the 3D visualization in GIS field, this thesis argues how to set up a 3D visual system of virtual battle environment simulative opposition at the unit level in detail. The system describes the battle scene between the Red(attack) and the Blue(defense) in the designed hills ground form area.The thesis mainly discusses the realization methods and progresses of the visualization part of the system. Because of the limitation of the geographical area and the number of the armament, we can see the variety of the situation of the weapons and the soldiers clearly in the process of the battle. At the same time, the system not only simulates the fog on the ground, but also uses particles system to realize the description of the smog and rainfall in the VBE, in order to getting more proper for fight simulation. Except for the effect of launching and exploding, and after exploding, crater on the ground will also appear. The system has also added the artificial sound which makes the scene of the battle more vivid.The thesis makes a summary about the key technique of the virtual battle environment and discusses the system analysis of the 3D visual system of virtual battle environment simulative opposition at the unit level in terms of software project.
文中重点论述了系统三维可视化部分的实现方法和过程。因为系统模拟作战的范围有限,参战的武器数量有限,所以战斗进程中武器、人员的状态都可以较清楚的反映。为了更加贴切地模拟战场环境,系统中不仅对于地面加了雾化的处理,而且使用粒子系统实现了烟雾和降雨的效果。特别是为了使战斗场面更加逼真,系统中除了有显示发射效果,爆炸效果外,还加入了声音仿真的内容。对于系统中可视化部分每一项的实现的过程,文中都体现出具体的设计和实现思路,一般是以算法伪码或流程图的形式予以说明。虽然这部分涉及到的工作很多,但最为重要的是如何能够更加真实地描述虚拟战场的态势表现。所以本系统的红军模型根据拍摄的武器实物和真人战士照片建模,同时,本系统的地形也是取自真实的部队战术指挥中的典型地区。
论文还有另两个主要部分的研究:一是对虚拟战场环境三维可视化实现中的关键技术选取和应用进行了研究,这些技术主要包括地形、模型、特效、声音、控制五个方面;二是从软件工程的角度论述了分队级对抗三维可视化系统的系统设计,其中的重点是三维可视化部分详细设计的内容。
As a kind of special geographical environment, the 3D visualization of virtual battle environment(VBE) is always a difficult and essential problem in the field of the virtual geographical environment. At the base on the deep research about the virtual battle environment and the integration about the realization technology of the 3D visualization in GIS field, this thesis argues how to set up a 3D visual system of virtual battle environment simulative opposition at the unit level in detail. The system describes the battle scene between the Red(attack) and the Blue(defense) in the designed hills ground form area.The thesis mainly discusses the realization methods and progresses of the visualization part of the system. Because of the limitation of the geographical area and the number of the armament, we can see the variety of the situation of the weapons and the soldiers clearly in the process of the battle. At the same time, the system not only simulates the fog on the ground, but also uses particles system to realize the description of the smog and rainfall in the VBE, in order to getting more proper for fight simulation. Except for the effect of launching and exploding, and after exploding, crater on the ground will also appear. The system has also added the artificial sound which makes the scene of the battle more vivid.The thesis makes a summary about the key technique of the virtual battle environment and discusses the system analysis of the 3D visual system of virtual battle environment simulative opposition at the unit level in terms of software project.
引文
[1] 董铭译.VRML程序员实用例库[M].北京:电子工业出版社,2000
[2] 李红旮,崔伟宏.地理信息系统中时空多维数据可视化技术研究.遥感学报,1999,3(2):157～163
[3] 王琳.利用VRML构造交互式虚拟现实环境[J].计算机应用,2000,20(增):253～256
[4] 薛安,马蔼乃,李天宏.基于OpenGL实现真实感地形表现的研究.中国图象图形学报,2001,6(8):800～805
[5] 肖乐斌,钟耳顺,刘纪远等.三维GIS的基本问题探讨.中国图象图形学报,2001,6(9):842～848
[6] 张跃鹏.战术军事地理信息系统数据模型分析.测绘学院学报,2000,17(1):63～66
[7] 王振杰,丁鹏,盛焕烨.浦东交警GIS演示系统—可视化GIS的一个研究实例.系统仿真学报,2001,13(增):526～528
[8] U. S. Army's STIC, SEDRIS and The Synthetic Environment Domain[C]. Volume 1 of the SEDRIS Documentation Set, 28 March 1998
[9] 邬伦,刘瑜,张晶等.地理信息系统——原理、方法和应用.北京:科学出版社,2002
[10] 陈坚,陈伟等.实例解析Visual C++.NET编程[M].北京:北京希望电子出版社,2002
[11] 唐泽圣,周嘉玉,李新友.计算机图形学基础[M].北京:清华大学出版社,1995
[12] 王保存,刘玉建.外军信息战研究概览[M].北京:军事科学出版社,1999
[13] 沙鹰译.Windows游戏编程大师技巧(第二版)[Z].北京:中国电力出版社,2004
[14] 汪成为,高文,王行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M].北京:清华大学出社,1996
[15] 龚光红,崔武伦.分布式虚拟战场环境中的仿真模型.系统仿真学报,2002,12(4):337～339
[16] Miller D, et al., Dynamic Terrain and Objects in the STOW 97 Advanced Concept Demonstration using the High Level Architecture[R]. Proc. Simulation Interoperability Workshop, Paper 98S-SIW-161, March, 1998
[17] 江早.OpenGL VC/VB图形编程[M].北京:科学出版社,2001
[18] 唐泽圣,等.三维数据场可视化[M].北京:清华大学出版社,1999
[19] 吴斌,等.OpenGL编程权威指南(第三版)[M].北京:中国电力出版社,2001
[20] 乔林,费广正,林杜等,OpenGL程序设计.北京:清华大学出版社,2000
[21] 崔炳荣.分布式虚拟战场环境研究.计算机应用,2003,23(6):31～34
[22] 王可定.作战模拟理论与方法[M].北京:国防大学出版社,1999
[23] 蒋海滨,王精业,张小超.虚拟战场环境中的地物生成.装甲兵工程学院学报,2003,17(3):93～95
[24] 刘卫华,冯勤,王行仁.虚拟战场环境中的多维信息综合显示.系统仿真学报,2002,14(3):316～318
[25] 李清泉,杨必胜,史文中等.三维空间数据的实时获取、建模与可视化.武汉大学出版社,2003
[26] 杨崇源,张永红.VRML在数字地球中的应用.遥感技术,2001,2(1):25～28
[27] 张宇宏,杨振鹏,王行仁等.分布式虚拟环境及其在虚拟战场中的应用研究.系统仿真学报,2000,12(5):510～513
[28] 胡亚海,张宇宏,彭晓源等.分布虚拟战场中的仿真管理系统实现方案研究.系统仿真学报,2002,14(1):71～74
[29] 王建宇,周献中.虚拟战场环境生成及关键技术.火力与指挥控制,2003,28(5):66～69,80
[30] 蔡志浩,彭晓源.基于地理信息系统的虚拟战场态势显示.系统仿真学报,2003,15(7):983～985
[31] J D Cohen, MCLin, DManocha. Exact Collision Detection for Interactive Environment [C]. Proceedings of the Tenth Annual Symposium on Computer Geometry. (New York ,ACM Press), 1994
[32] 徐享忠,王精业.虚拟战场态势的表现.系统仿真学报,2001,13(增):570～572,575
[33] 郑义,李思昆,曾亮.虚拟战场实体行为建模技术.计算机应用,2000,20(增):226～228
[34] 胡少林,吴玲达,张茂军等.3D虚拟战场环境构造技术研究.小型微型计算机系统,2002,23(12):1510～1513
[35] 鄢来斌,李思昆,曾亮等.动态浓烟建模与实时绘制技术研究.计算机工程与科学,2001,23(1):68～70,74
[36] 赵沁平.分布式虚拟战场环境——现代战争的实验场.系统仿真学报,2001,13(增):1～7
[37] KM Fairchild, T Poston and W Brichen. Efficient Virtual Collision Detection for multiple users in Large Virtual Spaees[J]. Virtual Reality Software and Technology, 1994
[38] 鲁炎,冯勤.分布虚拟环境中视景系统的视点变换与图像平滑的研究.测控技术,2000,19(7):15～18
[39] 戴文琴.视觉化音乐编辑系统的设计与实现:[硕士论文].中国台北:国立交通大学资讯工程学系,1999.6
[40] 谢志鹏,陈锻生.多线程模拟射击类游戏的设计与实现.计算机工程,2000,26(12):178～180
[41] 刘扬,左建章,赵文吉.探讨DirectSound在三维仿真声音模拟中的应用.测绘科学,2005,30(2):29～31
[42] Chiba N. Two Dimensional Visual Simulation of Flames, Smoke and the Spread of Fire [J]. The Journal of Visualization and Computer Animation, 1994, 5(1): 37～53
[43] 李春洪,毛跃奇,陈贵来等.基于DirectSound的声音实时仿真研究.计算机仿真,2001,18(3):47～49.
[44] 万刚,王蒙,武志强等.虚拟环境仿真中真实感声音的生成.测绘学院学报,2004,21(1):50～53.
[45] 胡凡良,宋玲.利用DirectSound实现音频的实时捕捉和播放.微型电脑应用,2004,20(9):56～58
[46] 王旭昌,张桂元,周涛武等.虚拟战场环境中的声音仿真应用研究及实现.计算机仿真,1999,16(2):67～69
[47] 许敏,张永生,郑战辉.粒子系统在战场环境仿真中对飞机尾焰的模拟.测绘学院学报,2004,21(4):289～291
[48] 冯善达,刘怡昕.虚拟场景中碰撞检测实用算法研究.计算机仿真,2004,21(6):100～101,111～112
[49] 杨振鹏,张宇宏,王行仁.虚拟环境中的虚拟观察者模型.系统仿真学报,2001,13(4):466～468,500
[50] 马继峰,彭晓源,冯勤.虚拟作战系统中场景生成与显示关键技术研究与实现.系统仿真学报,2004,16(8):1735～1737,1741
[51] 李蔚清,吴慧中.一种加速复杂场景绘制的可见性判断算法.系统仿真学报,2001,13(增):228～232
[52] 李宁,彭晓源,马继峰.虚拟作战战场环境的研究与实现.系统仿真学报,2003,15(7):969～972,1053
[2] 李红旮,崔伟宏.地理信息系统中时空多维数据可视化技术研究.遥感学报,1999,3(2):157～163
[3] 王琳.利用VRML构造交互式虚拟现实环境[J].计算机应用,2000,20(增):253～256
[4] 薛安,马蔼乃,李天宏.基于OpenGL实现真实感地形表现的研究.中国图象图形学报,2001,6(8):800～805
[5] 肖乐斌,钟耳顺,刘纪远等.三维GIS的基本问题探讨.中国图象图形学报,2001,6(9):842～848
[6] 张跃鹏.战术军事地理信息系统数据模型分析.测绘学院学报,2000,17(1):63～66
[7] 王振杰,丁鹏,盛焕烨.浦东交警GIS演示系统—可视化GIS的一个研究实例.系统仿真学报,2001,13(增):526～528
[8] U. S. Army's STIC, SEDRIS and The Synthetic Environment Domain[C]. Volume 1 of the SEDRIS Documentation Set, 28 March 1998
[9] 邬伦,刘瑜,张晶等.地理信息系统——原理、方法和应用.北京:科学出版社,2002
[10] 陈坚,陈伟等.实例解析Visual C++.NET编程[M].北京:北京希望电子出版社,2002
[11] 唐泽圣,周嘉玉,李新友.计算机图形学基础[M].北京:清华大学出版社,1995
[12] 王保存,刘玉建.外军信息战研究概览[M].北京:军事科学出版社,1999
[13] 沙鹰译.Windows游戏编程大师技巧(第二版)[Z].北京:中国电力出版社,2004
[14] 汪成为,高文,王行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M].北京:清华大学出社,1996
[15] 龚光红,崔武伦.分布式虚拟战场环境中的仿真模型.系统仿真学报,2002,12(4):337～339
[16] Miller D, et al., Dynamic Terrain and Objects in the STOW 97 Advanced Concept Demonstration using the High Level Architecture[R]. Proc. Simulation Interoperability Workshop, Paper 98S-SIW-161, March, 1998
[17] 江早.OpenGL VC/VB图形编程[M].北京:科学出版社,2001
[18] 唐泽圣,等.三维数据场可视化[M].北京:清华大学出版社,1999
[19] 吴斌,等.OpenGL编程权威指南(第三版)[M].北京:中国电力出版社,2001
[20] 乔林,费广正,林杜等,OpenGL程序设计.北京:清华大学出版社,2000
[21] 崔炳荣.分布式虚拟战场环境研究.计算机应用,2003,23(6):31～34
[22] 王可定.作战模拟理论与方法[M].北京:国防大学出版社,1999
[23] 蒋海滨,王精业,张小超.虚拟战场环境中的地物生成.装甲兵工程学院学报,2003,17(3):93～95
[24] 刘卫华,冯勤,王行仁.虚拟战场环境中的多维信息综合显示.系统仿真学报,2002,14(3):316～318
[25] 李清泉,杨必胜,史文中等.三维空间数据的实时获取、建模与可视化.武汉大学出版社,2003
[26] 杨崇源,张永红.VRML在数字地球中的应用.遥感技术,2001,2(1):25～28
[27] 张宇宏,杨振鹏,王行仁等.分布式虚拟环境及其在虚拟战场中的应用研究.系统仿真学报,2000,12(5):510～513
[28] 胡亚海,张宇宏,彭晓源等.分布虚拟战场中的仿真管理系统实现方案研究.系统仿真学报,2002,14(1):71～74
[29] 王建宇,周献中.虚拟战场环境生成及关键技术.火力与指挥控制,2003,28(5):66～69,80
[30] 蔡志浩,彭晓源.基于地理信息系统的虚拟战场态势显示.系统仿真学报,2003,15(7):983～985
[31] J D Cohen, MCLin, DManocha. Exact Collision Detection for Interactive Environment [C]. Proceedings of the Tenth Annual Symposium on Computer Geometry. (New York ,ACM Press), 1994
[32] 徐享忠,王精业.虚拟战场态势的表现.系统仿真学报,2001,13(增):570～572,575
[33] 郑义,李思昆,曾亮.虚拟战场实体行为建模技术.计算机应用,2000,20(增):226～228
[34] 胡少林,吴玲达,张茂军等.3D虚拟战场环境构造技术研究.小型微型计算机系统,2002,23(12):1510～1513
[35] 鄢来斌,李思昆,曾亮等.动态浓烟建模与实时绘制技术研究.计算机工程与科学,2001,23(1):68～70,74
[36] 赵沁平.分布式虚拟战场环境——现代战争的实验场.系统仿真学报,2001,13(增):1～7
[37] KM Fairchild, T Poston and W Brichen. Efficient Virtual Collision Detection for multiple users in Large Virtual Spaees[J]. Virtual Reality Software and Technology, 1994
[38] 鲁炎,冯勤.分布虚拟环境中视景系统的视点变换与图像平滑的研究.测控技术,2000,19(7):15～18
[39] 戴文琴.视觉化音乐编辑系统的设计与实现:[硕士论文].中国台北:国立交通大学资讯工程学系,1999.6
[40] 谢志鹏,陈锻生.多线程模拟射击类游戏的设计与实现.计算机工程,2000,26(12):178～180
[41] 刘扬,左建章,赵文吉.探讨DirectSound在三维仿真声音模拟中的应用.测绘科学,2005,30(2):29～31
[42] Chiba N. Two Dimensional Visual Simulation of Flames, Smoke and the Spread of Fire [J]. The Journal of Visualization and Computer Animation, 1994, 5(1): 37～53
[43] 李春洪,毛跃奇,陈贵来等.基于DirectSound的声音实时仿真研究.计算机仿真,2001,18(3):47～49.
[44] 万刚,王蒙,武志强等.虚拟环境仿真中真实感声音的生成.测绘学院学报,2004,21(1):50～53.
[45] 胡凡良,宋玲.利用DirectSound实现音频的实时捕捉和播放.微型电脑应用,2004,20(9):56～58
[46] 王旭昌,张桂元,周涛武等.虚拟战场环境中的声音仿真应用研究及实现.计算机仿真,1999,16(2):67～69
[47] 许敏,张永生,郑战辉.粒子系统在战场环境仿真中对飞机尾焰的模拟.测绘学院学报,2004,21(4):289～291
[48] 冯善达,刘怡昕.虚拟场景中碰撞检测实用算法研究.计算机仿真,2004,21(6):100～101,111～112
[49] 杨振鹏,张宇宏,王行仁.虚拟环境中的虚拟观察者模型.系统仿真学报,2001,13(4):466～468,500
[50] 马继峰,彭晓源,冯勤.虚拟作战系统中场景生成与显示关键技术研究与实现.系统仿真学报,2004,16(8):1735～1737,1741
[51] 李蔚清,吴慧中.一种加速复杂场景绘制的可见性判断算法.系统仿真学报,2001,13(增):228～232
[52] 李宁,彭晓源,马继峰.虚拟作战战场环境的研究与实现.系统仿真学报,2003,15(7):969～972,1053